呂宋海峽海面渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的特征分類

王璐華，張韌，李佳訊，楊進(jìn)，高飛，李璨

（1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.海軍海洋測(cè)繪研究所，天津 300061；3.解放軍91431部隊(duì)，廣東 湛江 524000）

圖1 呂宋海峽地形圖（m）

呂宋海峽是南海與西太平洋水交換的重要通道，南北水道寬約350 km。海峽內(nèi)地形復(fù)雜，如圖1所示，東側(cè)可達(dá)5 000m，中部約2 000m，部分區(qū)域在幾百米左右，西側(cè)可達(dá)3 000-4 000m左右。由于呂宋海峽特殊的地理環(huán)境，在呂宋海峽內(nèi)部會(huì)發(fā)生很多重要的海洋現(xiàn)象。其中黑潮在呂宋海峽的變化較為復(fù)雜。黑潮在此處易發(fā)生入侵，以“流套”形式入侵南海（Lietal，1998），并且這種情況交易發(fā)生在冬季。Caruso等（2006）對(duì)黑潮入侵流的年際變化做過(guò)研究，指出入侵流存在幾種形態(tài)。Liang等（2008）通過(guò)模式計(jì)算出呂宋海峽處的凈流量大部分為西向的，可達(dá)到4.8-6.5 Sv，在少部分年的夏季為東向，流量只有0.3-2.2 Sv。關(guān)于黑潮入侵流的永久性和瞬時(shí)性，目前存在著較多的爭(zhēng)議，Hsueh等（2004）通過(guò)數(shù)值模式認(rèn)為入侵流是一種永久性的現(xiàn)象，而Yuan等（2006）通過(guò)數(shù)據(jù)資料分析指出，入侵流更比較像是一種瞬時(shí)性的現(xiàn)象。入侵流通常會(huì)伴隨著反氣旋式渦的脫落（Lietal，2002），這些反氣旋渦位于臺(tái)灣島西南部。Jia等（2010）通過(guò)研究臺(tái)灣島西南部的地轉(zhuǎn)渦度的年代際變化發(fā)現(xiàn)黑潮入侵流及渦旋脫落與溫躍層厚度以及黑潮流量相關(guān)。Jia等（2005）利用一個(gè)非線性的兩層半模式從物理機(jī)制上對(duì)這些反氣旋式渦的脫落進(jìn)行了解釋，指出黑潮入侵流南側(cè)的鋒面不穩(wěn)定性是原因之一。副熱帶太平洋中的許多渦旋會(huì)伴隨Rossby波西傳至呂宋海峽處，并與黑潮相互影響 （LaCasceetal，2004）。Sheu等（2010）通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析指出西向傳播的渦旋在呂宋海峽會(huì)受黑潮強(qiáng)度和路徑的影響。同時(shí)，在呂宋島西北部還存在著一個(gè)較強(qiáng)的渦旋，即呂宋冷渦，相關(guān)研究表明這些渦旋的產(chǎn)生與黑潮和季風(fēng)（姜良紅 等，2010；孫成學(xué)，2009）密切相關(guān)。李燕初等（2003）對(duì)這些渦旋進(jìn)行了季節(jié)和年際變化尺度的分析，分析發(fā)現(xiàn)在秋冬季節(jié)，渦旋強(qiáng)度最強(qiáng)，夏季次之，春季最弱。Zheng等（2007）在研究呂宋西部的中尺度渦時(shí)發(fā)現(xiàn)，拉尼娜現(xiàn)象與渦旋強(qiáng)度的變化有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

關(guān)于呂宋海峽上層流場(chǎng)的時(shí)空變化特征，先前有人利用EOF方法進(jìn)行過(guò)研究（李燕初 等，2004；姚玉娟等，2012）：呂宋海峽海面高度場(chǎng)呈現(xiàn)出季節(jié)和年際變化特征，呂宋島西北部的海面高度場(chǎng)是南海東北部海域季節(jié)變化最明顯的；呂宋海峽海面高度場(chǎng)變化的第一模態(tài)占92%，表征黑潮的跨隙形態(tài)；第二模態(tài)占5.3%，表征為秋冬季黑潮以支流或流套形式入侵南海。EOF方法作為一個(gè)傳統(tǒng)的時(shí)空分析方法的確存在很大的優(yōu)勢(shì)，但在進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)時(shí)，很容易過(guò)濾掉一部分信息。本文將利用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)呂宋海峽的海面高度與絕對(duì)動(dòng)力地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示呂宋海峽海面渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的變化特征。SOM方法又稱自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，是一種無(wú)監(jiān)督聚類方法。Liu等（2006）的實(shí)驗(yàn)表明，SOM在獲取上升流與下降流的不對(duì)稱信息上效果超過(guò)EOF方法，并在獲取較為復(fù)雜的模態(tài)時(shí)占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)。目前，已經(jīng)有許多相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)SOM方法進(jìn)行過(guò)研究和應(yīng)用，并取得了比較好的效果。例如，Jin等（2010）利用SOM方法揭示了琉球海流與黑潮的相互作用；Liu等（2008 a）把SOM方法應(yīng)用于南海海面高度場(chǎng)，從新的角度闡釋了南海海面環(huán)流結(jié)構(gòu)特征。

鑒于SOM方法與傳統(tǒng)方法相比在揭示海洋流場(chǎng)特征方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文擬利用該方法對(duì)呂宋海峽表層流場(chǎng)的時(shí)空特征進(jìn)行研究。

1 資料與方法

1.1 資料

海面高度異常（Maps Sea Level Anomaly Merged，MSLA）數(shù)據(jù)與絕對(duì)動(dòng)力高度地形（Absolute Dynamic Topology，ADT）數(shù)據(jù)由法國(guó)空間局AVISO中心網(wǎng)站提供，它們的空間分辨率都為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率7 d。選取的呂宋海峽的空間范圍為（18°N-23°N，117°E-124°E），時(shí)間跨度從1993年1月至2011年12月。

1.2 自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)（Self-organizing feature Map，SOFM網(wǎng)絡(luò)），簡(jiǎn)稱SOM網(wǎng)絡(luò)。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法基于最小距離原理，把特征形態(tài)類似的信息分成一類。它是一種無(wú)監(jiān)督聚類方法（Kohonen，1982；1997），不需要具備已知的樣本，可以自組織的進(jìn)行學(xué)習(xí)和自動(dòng)分類。適合于提取特征形態(tài)和進(jìn)行判別分類，類似于K均值法。SOM網(wǎng)絡(luò)由輸入層和競(jìng)爭(zhēng)層組成，其中輸入層為分類的場(chǎng)數(shù)據(jù)；競(jìng)爭(zhēng)層為輸出數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果數(shù)可以根據(jù)需要自己設(shè)定。輸入層與競(jìng)爭(zhēng)層之間相互連接，連接權(quán)重在自適應(yīng)過(guò)程中不斷調(diào)整。SOM方法的基本思想就是競(jìng)爭(zhēng)層中的神經(jīng)元基于最小距離的原則不斷調(diào)整連接權(quán)重以獲取對(duì)輸入層的最佳響應(yīng)（關(guān)于SOM原理的具體介紹與工具下載請(qǐng)參考網(wǎng)站：http：//www.cis.hut.fi/projects/somtoolbox/）

SOM方法的最終分類結(jié)果與輸入層的數(shù)據(jù)相映射，即競(jìng)爭(zhēng)層存在著一個(gè)最佳匹配單元（Best Matching Unit，BMU）與輸入層數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。由于輸入層的樣本數(shù)據(jù)是按照時(shí)間順序排列，SOM實(shí)驗(yàn)結(jié)果還會(huì)得到一個(gè)BMU時(shí)間序列。BMU時(shí)間序列可以反映出分類圖形的時(shí)間變化趨勢(shì)。這樣SOM方法可以在空間與時(shí)間上分別描述數(shù)據(jù)場(chǎng)的變化信息。

SOM方法在實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本文參數(shù)的選擇參照Liu等（2008b）在南海的實(shí)驗(yàn)方案。采用矩形格子、片狀圖形，線性啟動(dòng)，批訓(xùn)練方式以及“ep”鄰域函數(shù)方案。分類結(jié)果數(shù)的選取是根據(jù)呂宋海峽海面渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的特征信息決定的，分類結(jié)果個(gè)數(shù)越多，獲取的信息越詳細(xì)。在此次試驗(yàn)中，競(jìng)爭(zhēng)層網(wǎng)絡(luò)分別采用2×2與3×4的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2×2的結(jié)構(gòu)設(shè)置可以獲取4個(gè)分類圖形，這樣可以與氣候態(tài)的季節(jié)場(chǎng)進(jìn)行比較；3×4的結(jié)構(gòu)可以獲取12個(gè)分類圖形，這樣將結(jié)果與氣候態(tài)的月變化場(chǎng)進(jìn)行比較。

在本實(shí)驗(yàn)中，先將MSLA與ADT數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再把兩數(shù)據(jù)場(chǎng)合并為一個(gè)矩陣，處理方式類似于EOF對(duì)矢量做分解的方式，分別把MSLA和ADT作為矢量的兩個(gè)分量，然后將合并的矩陣進(jìn)行SOM分類。分類后的結(jié)果再分別還原為MSLA與ADT數(shù)據(jù)場(chǎng)，其中MSLA數(shù)據(jù)進(jìn)行渦度場(chǎng)計(jì)算，ADT進(jìn)行正壓地轉(zhuǎn)流的計(jì)算。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化可以消除兩種數(shù)據(jù)之間量級(jí)的差異，將兩種數(shù)據(jù)合并后再分類可以考慮到MSLA與ADT之間的相互影響，比對(duì)兩者分別進(jìn)行分類更能表征出呂宋海峽表層的渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)特征。

1.3 地轉(zhuǎn)流計(jì)算方法

海面地轉(zhuǎn)流場(chǎng)由海面高度場(chǎng)計(jì)算得出，計(jì)算公式：

其中：ug、vg為地轉(zhuǎn)流速；vg為重力加速度；h為絕對(duì)動(dòng)力地形高度；f=2Ωsinφ為科氏參數(shù)，Ω為地轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度。實(shí)驗(yàn)中有關(guān)黑潮流場(chǎng)的描述都是正壓地轉(zhuǎn)流場(chǎng)。

1.4 海面渦度計(jì)算方法

海面渦度場(chǎng)由海面高度異常場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算公式：

其中：

2 呂宋海峽地轉(zhuǎn)流及渦度場(chǎng)分布的季節(jié)變化特征

2.1 氣候態(tài)季節(jié)變化特征

氣候態(tài)的渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流是通過(guò)SLA與ADT數(shù)據(jù)進(jìn)行19年平均后計(jì)算得出的。冬季，黑潮以流套形式深入南海，最大彎曲處位于臺(tái)灣島南側(cè)。同時(shí)，在臺(tái)灣島西南側(cè)出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的負(fù)渦度區(qū)；可以看出此處的地轉(zhuǎn)流較強(qiáng)，屬于延伸至南海的黑潮水。在呂宋島西北側(cè)，存在一正渦度區(qū)度，對(duì)應(yīng)呂宋冷渦區(qū)。春季，部分黑潮水進(jìn)入南海，與呂宋島西北側(cè)的南海地轉(zhuǎn)流混合后進(jìn)入南海北部，其余黑潮水繞過(guò)呂宋海峽而直接北上進(jìn)入太平洋；臺(tái)灣島西南側(cè)的渦度轉(zhuǎn)為正渦度，但渦度值較小。夏季，黑潮流軸向東偏移，沒(méi)有支流進(jìn)入南海，是對(duì)南海水影響最小的季節(jié)。流軸彎曲處西側(cè)，正渦度區(qū)的渦度強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)。呂宋島西北側(cè)，南海地轉(zhuǎn)流速較強(qiáng)，冬季時(shí)的正渦度區(qū)渦度轉(zhuǎn)為負(fù)渦度。秋季，呂宋海峽北部黑潮會(huì)有小部分支流水穿越海峽，呂宋島西北側(cè)地轉(zhuǎn)流減弱；呂宋島西北部的負(fù)渦度強(qiáng)度較夏季弱。

圖2 氣候態(tài)的季節(jié)渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)

2.2 SOM競(jìng)爭(zhēng)層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為2×2的分類結(jié)果

如圖3所示，分類結(jié)果1出現(xiàn)的概率為26.54%。渦度場(chǎng)與流場(chǎng)的空間分布與氣候態(tài)的春季相類似；時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明分類1在3、4、5月份出現(xiàn)的次數(shù)最多，與春季對(duì)應(yīng)，同時(shí)分類1在1、2、6月份出現(xiàn)的次數(shù)也較多，表明分類1在冬季末和夏季初出現(xiàn)的概率也較大。分類2出現(xiàn)的概率為23.71%。其空間分布形態(tài)與氣候態(tài)的夏季相類似，黑潮流軸不穿越海峽，流軸西側(cè)也沒(méi)有明顯的支流；臺(tái)灣島西南部的正渦度區(qū)與東南部的負(fù)渦度區(qū)都比較明顯。分類2在6、7、8月份出現(xiàn)的次數(shù)最多，這表明分類2主要出現(xiàn)在夏季；同時(shí)分類2在5、9月份出現(xiàn)較高次數(shù)，這也表明分類在春季末與秋季初也經(jīng)常出現(xiàn)。分類3中的渦度場(chǎng)與流場(chǎng)的空間分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果與氣候態(tài)的冬季相似，呂宋海峽北部黑潮以流套結(jié)構(gòu)形式伸向南海，在流軸彎曲處存在著一個(gè)強(qiáng)的負(fù)渦度區(qū)。分類3在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的概率為24.92%。這表明在12年中，約有24.92%的時(shí)間，黑潮會(huì)以流套形式入侵南海。分類3在1、2、12月份出現(xiàn)的次數(shù)最多，這表明分類3主要出現(xiàn)在冬季，但是分類結(jié)果3在11月份也出現(xiàn)較多次數(shù)，說(shuō)明分類3也會(huì)出現(xiàn)在秋季末。分類結(jié)果4出現(xiàn)的概率為24.82%。渦度場(chǎng)與流場(chǎng)的空間分布與氣候態(tài)的秋季相類似，北部黑潮存在穿越海峽的支流，強(qiáng)度弱于分類3中的強(qiáng)度，臺(tái)灣島西南部的渦度強(qiáng)度以及呂宋冷渦位置處的渦度強(qiáng)度都較氣候態(tài)的小。時(shí)間序列上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，分類結(jié)果4在8、9、10、11月份出現(xiàn)的次數(shù)最多，這表明分類結(jié)果4主要出現(xiàn)在夏季末和秋季。

圖3 SOM 2×2分類結(jié)果

綜上所述，呂宋海峽表層地轉(zhuǎn)流與渦度可以按季節(jié)來(lái)分為4大類：春季型、夏季型、秋季型及冬季型。SOM 2×2結(jié)果的空間分布與地轉(zhuǎn)流與渦度場(chǎng)的氣候態(tài)空間分布基本類似，黑潮流軸由春季到夏季逐漸東移，臺(tái)灣島西南部的正渦度區(qū)渦度逐漸增強(qiáng)。夏季到秋季，流軸西移，呂宋海峽整個(gè)區(qū)域的渦度場(chǎng)強(qiáng)度都有所減弱。秋季到冬季時(shí)，流軸繼續(xù)西移，“流套”結(jié)構(gòu)明顯，黑潮水可以穿越海峽進(jìn)入南海，臺(tái)灣島西南部的正渦度區(qū)渦度完全轉(zhuǎn)為負(fù)渦度，臺(tái)灣島東南部以及呂宋冷渦區(qū)的渦度場(chǎng)也與夏季對(duì)應(yīng)位置的渦度相反。

BMU時(shí)間序列顯示了4個(gè)分類結(jié)果在12年中的演變趨勢(shì)，可以反映渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的季節(jié)與年際變化信息。在12年中，分類圖形的基本走向是3→1→2→4→3，分別對(duì)應(yīng)著4個(gè)季節(jié)的變化。同時(shí)可以在時(shí)間序列中看出，在1997年、1999年、2000年、2003年以及2008年，季節(jié)信號(hào)較強(qiáng)，分類圖形交替出現(xiàn)。此時(shí)ENSO信號(hào)較強(qiáng)，暗示著呂宋海峽地轉(zhuǎn)流場(chǎng)及渦度場(chǎng)與其有著某種聯(lián)系，這方面有待進(jìn)一步研究。這也是氣候態(tài)數(shù)據(jù)所不能表現(xiàn)出來(lái)的信息。

表1 SOM 2×2分類結(jié)果在1993年1月至2011年12月各月份出現(xiàn)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 呂宋海峽地轉(zhuǎn)流及渦度場(chǎng)分布的月變化特征

3.1 氣候態(tài)月變化特征

氣候態(tài)的渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)通過(guò)19年的SLA與ADT的月平均計(jì)算得出。氣候態(tài)數(shù)據(jù)更能較好地顯示出黑潮流軸以及渦度場(chǎng)隨時(shí)間的變化走向。由圖5可以看出在前一年12月份至第二年的7、8月份左右，黑潮流軸逐漸向東偏移，臺(tái)灣島西南部的負(fù)渦度逐漸演變?yōu)檎郎u度，呂宋島西北部以及臺(tái)灣島東南部的正渦度則逐漸演變?yōu)樨?fù)渦度；在7、8月份至12月份，黑潮流軸逐漸西移，臺(tái)灣島西南部的正渦度演變?yōu)樨?fù)渦度，呂宋島西北部以及臺(tái)灣島東南部的負(fù)渦度演變?yōu)檎郎u度。同時(shí)，臺(tái)灣島西南部的負(fù)渦度強(qiáng)度在11、12、1、2月份左右達(dá)到最大，呂宋島西北部及臺(tái)灣島東南部的正渦度在5、6、7、8，9月份左右達(dá)到最大。黑潮流軸在11、12、1、2月份左右可以穿越呂宋海峽，在6、7、8、9月份左右流軸不會(huì)穿越海峽，是對(duì)南海水影響最小的月份。

3.2 SOM競(jìng)爭(zhēng)層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為3×4的分類結(jié)果

SOM2×2的分類結(jié)果并不能完全獲取呂宋海峽渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的分布信息。較少的分類結(jié)果會(huì)籠統(tǒng)的把相似的信息匯成一類。因此要詳細(xì)了解呂宋海峽渦度與地轉(zhuǎn)流的分布特征，需要增加分類數(shù)目。在此次實(shí)驗(yàn)中，把SOM競(jìng)爭(zhēng)層神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為3×4，分類結(jié)果再與月氣候態(tài)的分布圖進(jìn)行比較，進(jìn)而獲取氣候態(tài)數(shù)據(jù)不能顯示的信息。

表2顯示的是分類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過(guò)分析，分類1發(fā)生的時(shí)間從3-5月；分類2主要發(fā)生在4-6月份；分類3主要發(fā)生在6、7、8月；分類4發(fā)生在1-3月；分類主要5發(fā)生在3-6月；分類6主要發(fā)生在7-9月；分類7發(fā)生在12、1、2、3月，主要在12、1、2月；分類8全年都有可能發(fā)生，主要集中在10、11、12、1月；分類9主要發(fā)生在7-11月；分類10主要發(fā)生在1、2、12月；分類11在11月出現(xiàn)次數(shù)較多；分類12主要集中在9、10月。每一個(gè)分類結(jié)果都會(huì)在某一個(gè)或兩個(gè)特定的月份出現(xiàn)最多，并與相應(yīng)月氣候態(tài)的特征相類似。

圖4 SOM 2×2實(shí)驗(yàn)的BMU時(shí)間序列

圖5 氣候態(tài)的月渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)

表2 SOM 3×4的分類結(jié)果在1993年1月至2011年12月各月份出現(xiàn)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

所有分類結(jié)果基本可以分為4類：春季型，包括分類圖形1、5。這一類主要發(fā)生在春季以及夏季初，黑潮流軸不再穿越海峽，存在支流進(jìn)入南海，臺(tái)灣島西南部的正渦度漸強(qiáng)，呂宋冷渦區(qū)的渦度減弱；夏季型，包括分類2、3、6，主要發(fā)生在春季末、夏季，此時(shí)黑潮流軸不穿越海峽，臺(tái)灣島西南部的正渦度強(qiáng)度以及呂宋冷渦區(qū)的負(fù)渦度強(qiáng)度都很大，并且呂宋島西部的地轉(zhuǎn)流速達(dá)到最??；秋季型，包括分類8、9、12，主要發(fā)生在秋季，此時(shí)黑潮流軸西移，有時(shí)會(huì)有較強(qiáng)的支流穿越呂宋海峽，臺(tái)灣島西南部的正渦度逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)渦度，呂宋島西北部的負(fù)渦度則轉(zhuǎn)向?yàn)檎郎u度；冬季型，包括分類圖形4、7、10、11?；咎卣魇侵饕l(fā)生在冬季，黑潮流軸穿越呂宋海峽，臺(tái)灣島西南出現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)渦度，以分類10為例，呂宋海峽存在強(qiáng)的黑潮入侵流，流量大且臺(tái)灣島西南部的負(fù)渦度很強(qiáng)。值得注意的是，有些分類圖形并不僅僅出現(xiàn)在某一個(gè)時(shí)間段，而是在全年的時(shí)間序列中都有可能出現(xiàn)，例如分類8。另外在每種季節(jié)類型內(nèi)，分類圖形之間也存在差別，例如冬季型：分類4、7、10、11之間還是存在明顯差別的，4、7、11中的渦旋強(qiáng)度以及黑潮流速等都沒(méi)有分類10的強(qiáng)。

圖6 SOM 3×4的分類結(jié)果

SOM 3×4的分類結(jié)果表明呂宋海峽內(nèi)的渦度場(chǎng)存在如下幾個(gè)特征：夏季型，在臺(tái)灣海峽西南部出現(xiàn)較強(qiáng)的正渦度時(shí)，流軸比較靠東，而在臺(tái)灣島東南部以及呂宋冷渦區(qū)域，一般出現(xiàn)負(fù)渦度，但是不同年份的渦度強(qiáng)度會(huì)有所不同；冬季型，在臺(tái)灣島西南部出現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)渦度時(shí)，黑潮流軸偏西的分量最大，“流套”結(jié)構(gòu)明顯，臺(tái)灣島東南部以及呂宋冷渦區(qū)域的正渦度比較強(qiáng)，但當(dāng)臺(tái)灣島西南部的渦度強(qiáng)度較弱時(shí)，臺(tái)灣島東南部以及呂宋冷渦區(qū)域處的渦度強(qiáng)度也較弱；春季與秋季型，這種類型的渦度場(chǎng)特征是3個(gè)渦度變化顯著的區(qū)域的渦度強(qiáng)度都較弱，黑潮流軸位于夏季型與冬季型位置的中間，黑潮會(huì)有部分水進(jìn)入南海，但在個(gè)別年份，如分類1（介于夏季型與春季型中間，臺(tái)灣島西南部的正渦度強(qiáng)度強(qiáng)，而流軸位置類似于春季型）也會(huì)出現(xiàn)在春季，并且頻率較高。

與氣候態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，SOM 3×4的結(jié)果并不是嚴(yán)格的與相應(yīng)的月氣候態(tài)對(duì)應(yīng)。例如在3月，出現(xiàn)次數(shù)最多的是分類1，其次是分類4，而分類1與氣候態(tài)的3月并不相似，分類4與氣候態(tài)的相似程度反而高一些。同時(shí)，氣候態(tài)數(shù)據(jù)只是在空間分布上表明了渦度場(chǎng)與流場(chǎng)的變化順序，而SOM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅僅在空間分布上顯示了一些詳細(xì)的細(xì)節(jié)，還指出了分類結(jié)果的時(shí)間變化信號(hào)。BMU時(shí)間序列如圖7所示，季節(jié)信號(hào)與年際信號(hào)同時(shí)存在。同一類型的分類圖形在分布形態(tài)與時(shí)間排布上也存在差別，即季節(jié)形態(tài)并不是維持不變的，這也是氣候態(tài)數(shù)據(jù)不能獲取的信息。

4 小結(jié)與討論

本文利用SOM方法探討呂宋海峽表層渦度場(chǎng)與正壓地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的時(shí)空變化特征，得到如下結(jié)論：

（1）SOM 2×2分類結(jié)果的空間形態(tài)與氣候態(tài)的季節(jié)形態(tài)相類似。黑潮在秋冬季會(huì)以支流或流套形式入侵南海；在夏季時(shí)對(duì)南海水影響最小。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，分類圖形并不僅僅局限在某一季節(jié)內(nèi)出現(xiàn)，其中冬季型還可以出現(xiàn)在11月，而夏季型可以出現(xiàn)在5-9月。SOM 3×4的分類結(jié)果可以顯示更為詳細(xì)的信息。按照發(fā)生月份與特征形態(tài)分類，可以分為4類：冬季類型，春季類型，夏季類型，秋季類型。同時(shí)，類型內(nèi)各分類圖形的變化信號(hào)較顯著。BMU時(shí)間序列表明，呂宋海峽海面渦度場(chǎng)與地轉(zhuǎn)流場(chǎng)同時(shí)存在季節(jié)與年際變化信號(hào)。

圖7 SOM 3×4實(shí)驗(yàn)的BMU時(shí)間序列

（2）實(shí)驗(yàn)中，將SOM方法應(yīng)用于呂宋海峽上層流場(chǎng)的特征分析，取得了較好的效果。與EOF方法不同的地方在于，SOM沒(méi)有按照特征模態(tài)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行渦度場(chǎng)和流場(chǎng)信息的剝離，并且它的直觀性比較強(qiáng)，可以直接通過(guò)BMU時(shí)間序列看出具體年月份的流場(chǎng)形態(tài)。

當(dāng)然SOM方法也存在一定的缺陷，比如SOM方法對(duì)參數(shù)的選取比較敏感，參數(shù)的設(shè)置又有一定的人為性，易受主觀影響等問(wèn)題。這些還有待通過(guò)與其他智能算法結(jié)合等途徑來(lái)逐步研究解決。

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